基于任务的舰炮装备战备完好性建模与仿真研究

魏 勇,徐廷学,逄大鹏

(1.海军航空工程学院,山东烟台 264001;2.海军装备技术研究所,北京 102442)

基于任务的舰炮装备战备完好性建模与仿真研究

魏 勇1,徐廷学1,逄大鹏2

(1.海军航空工程学院,山东烟台 264001;2.海军装备技术研究所,北京 102442)

舰炮战备完好性是系统综合保障的总体指标,也是衡量舰炮系统战斗力的重要指标之一。应用系统分析方法,通过分析战备完好性基础定义,建立了基于任务的战备完好性评价模型。在考虑舰炮装备可靠性、维修性和保障性及维修保障过程的情况下,应用离散事件、蒙特卡罗法等理论建立了一种基于任务的战备完好性仿真原理和仿真流程。结果表明该方法是可行的,且可以发现影响战备完好性的因素,为使用和管理部门提供决策支持。

信息处理技术;战备完好性;装备;建模与仿真

对战备完好性的分析与评价是指对装备平时和战时完成并保持一系列规定任务能力的评估。文献[1-3]对装备的战备完好性进行了有意义的分析与评价,但这些研究都是基于装备的概率模型和统计模型,数据来源多为时间概率的统计值。而对于那些在执行任务期间和给定任务剖面下,由于装备系统故障导致系统的任务或下一次任务不能成功开始甚至不能成功完成的装备战备完好性评价很少,从而不能确定影响任务成功的主要因素。针对上述文献研究的不足,笔者对给定任务剖面下的装备战备完好性进行了研究,找出了影响任务成功的主要因素,确定了影响装备使用的关键设备,这对在经费的约束下优化配置保障资源具有重要意义。

1 战备完好性评价模型

1.1 基本假设[4]

1)在每个阶段任务中,系统和部件只有正常/故障两种状态,且各部件的寿命和维修时间均服从指数分布。

2)部件的故障和修复是独立进行的。

3)修好后的部件,不影响装备的使用功能。

4)多阶段任务中各个阶段任务之间是按顺序执行的串联关系,即只要有一个阶段任务失败,后续任务将无法继续,造成整个多阶段任务无法完成,任务失败。

5)考虑各个阶段任务配置中的功能单元之间是串联关系,即每个阶段任务的配置中,只要有一个单元故障,即认为系统故障。

6)系统各组成器件的失效相互独立,其失效不会发生在同一时刻。

1.2 舰炮装备战备完好性的定义

表示战备完好性所采用的形式取决于系统、系统设计及使用条件。海军装备比较常用的战备完好性参数用使用可用度AO和战备完好率POR表示[5]。

使用可用度是与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性参数。是表示装备服役后,在使用一段时间内使用时间与总时间的比值。使用可用度表达式为:

系统工作总时间的构成如图1所示。

这里不考虑非工作时间。以时间表示的使用可用度计算模型如下:

由图1得,在不考虑非工作时间的情况下,如果与任务时间相联系,总工作时间可以被定义为总的任务时间MT,能工作时间也就是系统完成任务的时间。因此,从任务角度考虑,AO又可以表示为:

AO=系统完成任务的时间/总任务时间。

战备完好性的概率度量称为战备完好率。它表示当要求武器装备或武器系统投入作战时,该系统能够执行任务的概率。因此,从任务角度考虑,其可表示为:在规定的使用及维修保障方案下,系统能够执行的任务数与总任务数之比,其表达式为:

POR=能够执行的任务数/总任务数。

1.3 舰炮装备任务分析

任务一般为复杂的多阶段任务,其是由一系列基本任务按顺序执行完成。为了问题的简化和分析,按多阶段任务系统(Phased-Mission System,PMS)[6-7]的概念,任务通常可以按时序划分为一系列时间连续且不相互重叠的任务阶段,一般可用串联关系表示,且每个任务阶段有不同的任务可靠性要求[8]。各个任务阶段在任务内容、任务开始时间、任务系统配置(需要使用不同的功能系统)、任务成功的判据、故障判据及单元故障特性(单元故障率等)等方面会不同。

本案例中建立的舰炮装备执行的任务是平时的训练任务,另外是演习任务。由于演习任务时间的不确定性,这里仅研究舰炮(二类舰艇)的典型日常训练任务剖面,如图2所示。

2 战备完好性仿真模型

2.1 输入数据模型

每台装备由若干子系统组成,每个子系统至少有8个基本参数,且还可分为n个器件(或单元)。因此,保障性仿真数据种类多,数据量大。为解决该问题,输入数据模型主要解决输入数据的分类(设备参数和使用规则参数),建立系统结构参数(可靠性框图参数)、任务参数(任务时间线和任务成功点等)、使用参数(后勤保障、保障策略、使用率等)、可靠性参数MTBF、维修性参数MT TR和保障性参数MLD T等数据存储模型。

2.2 任务工作模型

按年月次序(日历时间)描述系统预期可能出现的工作方式(阶段)、任务和交战类型,确定系统的各种工作状态(阶段)以及各个阶段内参与工作的设备和配置。它包括阶段类型、阶段持续时间、任务类型、交战方式和设备预计使用率等参数,任务时间线模型从任务剖面中产生。

2.3 保障过程模型

保障过程模型主要描述对故障修复和预防性维修过程中所产生的如备件维修、维修设备和服务等方面的各种要求,能否在现有保障环境下得到充分的满足。其工作逻辑如图3所示。

2.4 MC统计实验模型[9]

任一设备的寿命都是一个服从某一分布的随机变量。根据MC直接抽样法。在假定设备可靠性和维修性均服从指数分布时,可利用设备的平均故障间隔时间MTBF和平均修复时间MTTR,通过抽取[0,1]内的均匀随机数ξ,反求可靠度R和维修度M函数预测设备的随机寿命T,T=-MTBF×ln(ξ)和故障修复时间 Tx,Tx=-MTTR ×ln(ξ)。

2.5 统计模型

统计模型主要用来建立各种指标参数的统计模型,是保障性仿真的核心,如POR=能执行的任务数/总任务数;AO=系统实际完成的任务时间/规定的任务时间;PMSC=任务成功完成的次数/仿真总次数。

3 战备完好性仿真流程

基于任务的战备完好性评价按任务时间线中的阶段顺序进行统计,在每个阶段内根据任务的执行状态进行模拟,其仿真流程如图4所示。

4 战备完好性仿真实例

4.1 基础数据

想定舰炮装备有以下几个子功能系统串联组成:LRU1、LRU2 、LRU3 、LRU4 、LRU5,分别是炮架、供弹系统、自动机、电气控制和瞄准随动系统。

利用舰炮装备在实际工作中的可靠性与维修性数据可以分别计算出装备系统的各功能系统的故障率,数据如表1所示。

“操演”是舰炮每年都要进行的常规训练任务,假定该作战单元在年度某些个训练日内完成一科目和二科目的相关任务,可以简化为部署转换、备战备航、对海射击操演和对空射击操演等几个顺序执行的阶段任务构成。在对舰炮训练大纲分析基础上定义出的单装基本任务,包含固定的要素:任务约束,包括任务时间要求等;涉及功能系统,即完成本任务必需的一个或数个功能系统及系统故障率等。主要数据如表2所示。

表2 任务剖面参数Tab.2 Parameter of misssion profile

4.2 仿真结果分析

针对上述数据,利用离散事件蒙特卡洛法对建立的仿真模型进行仿真,仿真周期为1 440 h,初始随机种子为123456789,仿真次数为100次。与任务时间有关的仿真结果如图5所示。

根据战备完好性使用可用度计算模型,对图5的任务执行时间进行累加计算,就可以得到舰炮在执行任务期间系统的使用可用度AO:

与执行任务数有关的仿真结果如图6所示。对图6的任务执行数量进行累加计算,可以得到战备完好率POR为:

基于系统不可用数目的系统不可用度如图7所示。

经对图7仿真结果统计由等待产品、等待资源及故障维修造成的系统累计不可用数目分别为1.29 、0.50 、0.35 。

由战备完好率和使用可用度仿真结果可知POR＞AO,这与战备完好率与使用可用度的关系相吻合,说明了仿真方法的可行性。但是战备完好率和使用可用度仿真结果都有些偏低,从系统不可用度仿真图得出:导致系统不可用,任务不能成功完成的主要原因是由于等待产品、等待资源和故障维修产生的。因此,可以认为影响系统战备完好性的主要原因是由于等待产品时间过长,引发系统停机,工作时间减少,执行任务率下降,所以战备完好率和使用可用度仿真结果都有些偏低。

但是对装备的后勤人员和使用人员来说,孤立的讲装备的战备完好性没有太大的意义。GJB4355的C2.1指出:分析装备战备完好性必须将保障能力与装备的使用可用度联系,即将保障度P与AO挂钩,建立P与AO之间的联系,更深层地反映P对可用度AO的影响。其公式为:

式中:TBF为平均故障间隔时间;MCT为平均修复时间;TSR为从舰员级提出备件需求至备件运抵舰员级的平均供应反应时间。

已知TSR=887 h,以表1所给数据为例进行计算,各单元使用可用度结果如表3所示。

表3 各单元使用可用度结果Tab.3 Availability result of each unit

由表3可以看出:单元4、5的使用可用度最低,由等待产品、等待资源和故障维修产生的系统停机和备件需求大部分是由它们引起的。在保障资源相同的情况下,单元4、5所占的延误时间和备件短缺比例最大,这与该装备实际使用结果相符。

5 结 论

战备完好性是装备装备部队后形成并保持战斗力时优先考虑的问题。本文从舰炮的实际使用情况出发,结合舰炮装备的可靠性、维修性和保障性等因素,建立了舰炮装备的战备完好性模型,可以较为准确地预测舰炮装备在执行任务时的使用特性,发现影响战备完好性的因素,有助于使用部门、管理部门和保障部门相互协调,制定正确的使用和维修保障计划;对提高舰炮的战斗力具有重要的意义。

References)

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Modelling and Simulation Research on Operational Readiness of Naval Gun Weapon Equipment Based on Mission

WEI Yong1,XU Ting-xue1,PANG Da-peng2

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,Shandong,China;
2.Naval Equipment Technology Institute,Beijing 102442,China)

T he term of operational readiness in naval gun system is not only the total index of integrated logistic support,but also one of the important indexes of the practical combat capability of the naval gun system.Based on mission,the operational readiness evaluation model was established with the aid of its basic definition analysis.Under the consideration of reliability,maintainability,supportability and maintain-support process of naval gun weapon equipment,a kind of simulation principle and flow of the operational readiness were set up based on mission by use of the theory of Monte-Carlo sampling method,discrete event and so on.The results of its application showed that the model can not only be feasible,but also can acquire the key factors that have influence on the operational readiness.The results can provide the decision support for service and managing departments.

information processing;operational readiness;equipment;modelling and simulation

TP31

A

1673-6524(2010)04-0015-05

2010-02-09;

2010-05-07

魏 勇(1979-),男,博士研究生,主要从事装备综合保障理论与技术研究。E-mail:qywyhmily@126.com